蔣其濤,湯晴嵐,吳 曲,夏 霆,陳 丹,武海霞,肖智興

(南京工業(yè)大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院,江蘇 南京 211800)

環(huán)境微生物修復(fù)是利用環(huán)境中的土著微生物或人工投加微生物的方式實(shí)現(xiàn)環(huán)境中污染物的去除[1-2]。相比于物理、化學(xué)修復(fù)法,微生物修復(fù)成本低、污染物去除徹底、無(wú)二次污染[1]。微生物修復(fù)的實(shí)施主要依賴于向環(huán)境或生物處理設(shè)施中投加微生物的呼吸作用所需的電子供體或電子受體。傳統(tǒng)使用的電子供體有工業(yè)糖漿、植物油、乳酸等發(fā)酵型物質(zhì),電子受體有O2、硝酸鹽、硫酸鹽等。為了確保修復(fù)效果,在實(shí)際的修復(fù)過(guò)程中通常需要添加過(guò)量的電子供體或電子受體,其殘留可能會(huì)導(dǎo)致二次污染,后處理又會(huì)增加修復(fù)成本[3]。近年來(lái),一些“綠色材料”(錳礦石、零價(jià)鐵等)由于成本低、二次污染風(fēng)險(xiǎn)小等優(yōu)點(diǎn)[4-6],被認(rèn)為在替代傳統(tǒng)電子供體或電子受體強(qiáng)化微生物呼吸去除污染物方面具有一定的潛力,已成為環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

本文選取腐殖質(zhì)、硫鐵礦、錳礦石和磁鐵礦等作為典型的“綠色材料”,整理和探討近年來(lái)這些材料在強(qiáng)化微生物呼吸去除污染物方面的研究情況,并進(jìn)行總結(jié)和展望,以期為環(huán)境污染綠色修復(fù)提供新的思路。

1 腐殖質(zhì)強(qiáng)化微生物呼吸去除污染物

腐殖質(zhì)是一種天然高分子有機(jī)物,含有羧基、羥基、醌基等,且廣泛分布于土壤、水生環(huán)境以及沉積物中[7-8],根據(jù)在不同酸堿度下溶解性的差異,分為富里酸(在任何pH條件下可溶)、腐殖酸(pH>2時(shí)可溶)和胡敏素(在任何pH條件下都不可溶)[8]。胡敏素在自然界中非常穩(wěn)定,特別是在厭氧條件下,很難被微生物降解。

Lovley等[9]在1996年首次提出微生物可以利用腐殖質(zhì)呼吸,發(fā)現(xiàn)兩種微生物Geobactermetallireducens和Shewanellaalga在厭氧條件下能分別利用乙酸和乳酸作為電子供體還原腐殖酸(購(gòu)自國(guó)際腐殖質(zhì)協(xié)會(huì)(IHSS))。進(jìn)一步的研究[10-11]表明醌基是腐殖酸接受和傳遞電子的功能組分,但腐殖酸中的有機(jī)硫組分、有機(jī)氮組分以及金屬鐵的電子傳遞作用仍不可忽視。腐殖質(zhì)被證實(shí)可以作為微生物的電子供體和電子受體(圖1),有效地去除土壤和水環(huán)境中的有機(jī)污染物(如農(nóng)藥、苯系物等)及重金屬(如Cr(Ⅵ)、As(Ⅴ)等)。

圖1 腐殖質(zhì)作為微生物電子供體或電子受體去除污染物的原理

1.1 還原態(tài)的腐殖質(zhì)作為電子供體強(qiáng)化污染物的微生物呼吸轉(zhuǎn)化

自Lovley課題組發(fā)現(xiàn)腐殖酸可以作為電子受體促進(jìn)微生物的厭氧呼吸作用以來(lái)[9],被還原的腐殖酸和富里酸也常作為電子供體進(jìn)而促進(jìn)微生物呼吸去除污染物[12-14]。Castro等[12]研究發(fā)現(xiàn)在厭氧條件下腐殖酸的模式化合物蒽醌-2, 6-二磺酸鹽(AQDS)能加速Shewanellaputrefaciens和廢棄礦區(qū)來(lái)源的混合菌還原Fe(Ⅲ),AQDS的存在使生物還原速率大大提高。Mohamed 等[13]研究發(fā)現(xiàn),還原后的亞熱帶森林景觀土壤源的腐殖酸(利用NaOH和HCl提取)能夠作為電子供體促進(jìn)ShewanellaoneidensisMR-1對(duì)Cr(Ⅵ)的還原。Qiao等[14]采用HF和NaOH溶劑從泥炭中提取腐殖酸、富里酸和胡敏素,這3種腐殖質(zhì)組分被還原后都可以作為電子供體促進(jìn)微生物還原As(Ⅴ)(圖1),主要的功能微生物包括Azoarcus、Anaeromyxobacter、Pseudomonas和Geobacter。另外,還原態(tài)腐殖質(zhì)還可作為厭氧微生物的電子供體,以富馬酸及硝酸鹽作為電子受體進(jìn)行呼吸。Lovley等[15]發(fā)現(xiàn)一些微生物(如Geobactermetallireducens、Geobactersulphurreducens、Geothrixfermentans、Shewanellaalga、Wolinellasuccinogenes等)能夠以還原態(tài)腐殖酸的模式化合物蒽氫醌-2,6-二磺酸鹽作為電子供體,以富馬酸為電子受體生長(zhǎng)。Van Trump等[16]發(fā)現(xiàn)在農(nóng)田土壤環(huán)境中存在的硝酸鹽還原微生物(Alphaproteobacteria、Betaproteobacteria和Gammaproteobacteria)可以利用蒽氫醌-2,6-二磺酸鹽作為電子供體促進(jìn)微生物還原硝酸鹽。

在任何pH條件下都不溶的胡敏素的電子傳遞能力一直以來(lái)都被忽視。直到2010年,Roden等[17]發(fā)現(xiàn)沉積物中的固態(tài)腐殖質(zhì)能夠作為鐵還原菌Geobactersulfurreducens和Shewanellaputrefaciens的電子受體耦合乙酸的氧化,被還原后的腐殖質(zhì)又可以介導(dǎo)Fe(Ⅲ)的還原。之后,Katayama課題組人員采用HF和NaOH溶劑從稻田土里提取胡敏素,發(fā)現(xiàn)胡敏素被還原后能夠作為電子供體促進(jìn)脫氯菌(Dehalobacter、Geobacter、Sulfurospirillum等)還原五氯苯酚和四溴雙酚A等[18-22],隨后Zhang等[23]及Xiao等[24]將胡敏素固定在電極上或投入生物電化學(xué)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了電子由電極到功能微生物(脫氯菌Dehalobacter和Desulfovibrio,反硝化菌Pseudomonasstutzeri)的介導(dǎo),促進(jìn)了五氯苯酚及硝酸鹽的微生物還原。Zhang等[21]發(fā)現(xiàn)醌基是胡敏素起電子傳遞作用的主要基團(tuán),最近的研究表明胡敏素中的類肽聚糖結(jié)構(gòu)也可能起到關(guān)鍵作用[22],但實(shí)際的電子傳遞機(jī)制還有待揭示。

1.2 腐殖質(zhì)作為最終電子受體強(qiáng)化污染物的微生物呼吸轉(zhuǎn)化

在厭氧條件下,腐殖質(zhì)除了能為微生物呼吸提供電子,還能作為最終電子受體參與微生物的代謝[25-26]。近年來(lái),一些研究表明腐殖質(zhì)在有機(jī)污染物的生物氧化降解中發(fā)揮著重要的作用,腐殖質(zhì)可以作為最終電子受體,耦合有機(jī)污染物(如苯系物[27]、甲烷[28]等)的厭氧氧化(圖1)。

腐殖質(zhì)對(duì)微生物的影響機(jī)制非常復(fù)雜,它不但能夠作為電子供體或最終電子受體強(qiáng)化污染物的微生物呼吸轉(zhuǎn)化,還可以增強(qiáng)某些微生物的酶活[32],實(shí)際中可能是幾種機(jī)制共同主導(dǎo)反應(yīng)的發(fā)生。盡管醌基被認(rèn)為是腐殖質(zhì)主要的電子傳遞功能基團(tuán),但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,具體的電子傳遞機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。此外,最近有研究表明,Clostridiumsp. HSAI-1可以在厭氧條件下將市售的腐殖酸(Aldrich公司)和硅質(zhì)泥巖中提取的腐殖酸降解成小分子組分[33]。采用焦磷酸鈉溶劑從泥炭中提取的腐殖酸還可以被微生物Ignavibacterium/Melioribacter厭氧降解作為電子供體促進(jìn)微生物還原Fe(Ⅲ)[34]。然而,到目前為止,胡敏素是否能被厭氧微生物降解尚不清楚。

2 硫鐵礦及單質(zhì)硫強(qiáng)化微生物呼吸去除污染物

近年來(lái),關(guān)于單質(zhì)硫作為電子受體或電子供體強(qiáng)化微生物呼吸去除污染物已有很多研究[35-37],如Zhang等[37]研究發(fā)現(xiàn),利用單質(zhì)硫作為微生物的電子供體可以去除V(Ⅴ)(V5+),5 d內(nèi)對(duì)V(Ⅴ)去除率達(dá)到97.0%。但無(wú)論是硫鐵礦還是單質(zhì)硫,大量的研究都集中在它們作為電子供體強(qiáng)化脫氮微生物去除硝酸鹽的研究上。

2.1 硫鐵礦作為電子供體強(qiáng)化生物反硝化

硝酸鹽是地下水中常見的污染物,水中硝酸鹽濃度過(guò)高不僅破壞生態(tài)環(huán)境,而且嚴(yán)重影響人類的生命健康[39]。2008年，Schwientek等[40]研究了硫鐵礦(電子供體)氧化耦合硝酸鹽還原的反應(yīng)動(dòng)力學(xué),為地下水環(huán)境中生物反硝化耦合硫鐵礦氧化提供了新證據(jù),并提出了含水層中的微生物反硝化可能受到硫鐵礦含量的影響。隨后Torrentó等[39,41]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),硫鐵礦作為唯一電子供體,在反硝化菌的存在下,能夠?qū)崿F(xiàn)硝酸鹽的還原。目前,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多硫桿菌和鐵還原菌(如Thiobacillusdenitrificans[41]、Shewanellaoneidensis[42]等)能夠利用硫鐵礦作為電子供體進(jìn)行硝酸鹽的代謝,其反應(yīng)見式(1)。

(1)

2.2 單質(zhì)硫作為電子供體強(qiáng)化生物反硝化

單質(zhì)硫廣泛存在于自然環(huán)境中,化合價(jià)為零價(jià),既具有氧化性又具有還原性。在微生物去除污染物的過(guò)程中,單質(zhì)硫常作為電子供體參與微生物的呼吸[46]。除了上述所說(shuō)硫鐵礦生物反硝化,有關(guān)單質(zhì)硫驅(qū)動(dòng)的反硝化研究也頗多,其原理與硫鐵礦反硝化相似。不過(guò),硫鐵礦礦物在反應(yīng)過(guò)程中可能會(huì)釋放有毒金屬物質(zhì),對(duì)微生物活性造成影響,處理成本也相應(yīng)提高[46]。Sahinkaya等[47]發(fā)現(xiàn),利用單質(zhì)硫作為電子供體,在混合菌(包括自養(yǎng)菌和異養(yǎng)菌)的作用下,能夠同步實(shí)現(xiàn)硝酸鹽和Cr(Ⅵ)的去除。Ju等[48]研究利用單質(zhì)硫作為不溶性電子供體進(jìn)行硝酸鹽生物還原的可行性,發(fā)現(xiàn)在微生物的作用下單質(zhì)硫被氧化為硫酸鹽,而硝酸鹽則被還原去除。Qiu等[49]研究了添加有機(jī)電子供體對(duì)硫自養(yǎng)反硝化的影響,發(fā)現(xiàn)有機(jī)電子供體的添加極大地促進(jìn)了硫自養(yǎng)反硝化的速率,可能的原因是有機(jī)物的添加促進(jìn)了硫還原菌的活性,形成的多硫化物增強(qiáng)了硫的生物可利用性,該反應(yīng)器運(yùn)行的最優(yōu)碳氮質(zhì)量比為0.25∶1～0.50∶1。

3 錳礦石強(qiáng)化微生物呼吸去除污染物

Mn是自然界中常見的變價(jià)金屬元素,幾乎所有礦石中都含有Mn。自然界中的Mn主要呈Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ價(jià)態(tài)[55]。錳礦石除了能夠通過(guò)物理化學(xué)反應(yīng)(吸附、配位等)去除污染物外,還可以作為微生物的電子受體強(qiáng)化污染物的降解。自然界中,Mn的生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程主要包括Mn的生物還原和Mn的生物氧化,固態(tài)Mn還原的胞外電子傳遞機(jī)制包括納米導(dǎo)線、直接接觸以及電子穿梭體等,具體如圖2所示[56]。

圖2 微生物還原錳礦石的胞外電子傳遞機(jī)制[56]

3.1 錳礦石作為最終電子受體強(qiáng)化污染物的微生物轉(zhuǎn)化

自然界中,Mn的還原過(guò)程通常是指錳還原微生物在厭氧條件下利用高價(jià)錳氧化物(一般為Ⅳ價(jià))作為最終電子受體氧化降解污染物的過(guò)程[56-57]。錳還原微生物一般為革蘭氏陰性菌,廣泛存在于自然界中[56]。關(guān)于該反應(yīng)過(guò)程,早期人們認(rèn)為Mn(Ⅳ)還原為Mn(Ⅱ)的過(guò)程為一步反應(yīng)(式(2))[15,58];隨后又有研究表明[59],該過(guò)程分為兩步反應(yīng),Mn(Ⅳ)先還原為Mn(Ⅲ)再還原為Mn(Ⅱ)。

2MnCO3+2H2O

(2)

Lovley等[60]發(fā)現(xiàn),在沉積環(huán)境中Geobacter可以利用Fe(Ⅲ)或Mn(Ⅳ)作為電子受體,完全氧化小分子脂肪酸等。Nickel等[61]在富含有機(jī)碳的海洋沉積物中發(fā)現(xiàn)了Fe(Ⅲ)和Mn(Ⅳ)異化還原現(xiàn)象,不同季節(jié)條件下,Fe(Ⅲ)或Mn(Ⅳ)異化還原的效果各有不同。這些研究為了解錳循環(huán)和碳循環(huán)間的關(guān)聯(lián)提供了重要依據(jù)。Langenhoff等[62]發(fā)現(xiàn)在沉積物中,厭氧條件下存在甲苯氧化耦合Mn(Ⅳ)還原的反應(yīng),證明固體氧化錳作為電子受體強(qiáng)化甲苯生物降解的可能性。Liu等[63]發(fā)現(xiàn)利用氯化錳和高錳酸鉀人工合成的Mn(Ⅳ)可作為最終電子受體強(qiáng)化生物降解咖啡因和萘普生,去除率分別達(dá)到96.0%和31.0%。翟俊等[57]研究人工濕地對(duì)有機(jī)污染物雙氯酚酸的降解,發(fā)現(xiàn)在厭氧或缺氧條件下GeobactermetallireducensGS-15能利用錳礦石作為電子受體去除雙氯酚酸,去除率大約是無(wú)菌對(duì)照組的2倍。

3.2 Mn的生物氧化與污染物去除

生物氧化錳是水生和陸生環(huán)境中活躍的礦物之一,在Mn的生物地球化學(xué)循環(huán)中起著重要作用[64]。Mn的生物氧化即Mn(Ⅱ)作為電子供體被微生物氧化生成高價(jià)Mn(Ⅲ、Ⅳ)的過(guò)程。這類微生物主要是一些真菌和細(xì)菌(包括PseudomonaspuditaMnB1、PseudomonasfluorescensGB-1、LeptothrixdiscophoraSS-1和SS-6等[6])。目前，生物氧化錳主要用作催化劑或吸附劑去除環(huán)境中的有機(jī)污染物或重金屬[65],如被LeptothrixdiscophoraSS-1氧化生成的生物氧化錳對(duì)Pb(Ⅱ)有很好的吸附作用[6]。Xie等[64]將真菌(Pleosporalessp. Y-5)氧化錳用于活化過(guò)氧單硫酸鹽(PMS)去除雙酚A。與以往利用Co2+/PMS或Co3O4/PMS均相催化系統(tǒng)降解污染物相比,真菌氧化錳不會(huì)產(chǎn)生二次污染。此外還發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)400 ℃煅燒后的真菌氧化錳比未煅燒的真菌氧化錳具有更高的雙酚A去除率,30 min就可以完全去除雙酚A,總有機(jī)碳(TOC)去除率達(dá)到97.0%。Du等[66]利用Pseudomonassp. F2制成生物鐵錳氧化物(由Mn(Ⅱ)、Mn(Ⅲ)、Mn(Ⅳ)和γ-Fe2O3組成),結(jié)果表明制成的生物鐵錳氧化物對(duì)氧氟沙星的催化降解活性是化學(xué)合成的鐵錳氧化物的2倍。

4 磁鐵礦及零價(jià)鐵強(qiáng)化微生物呼吸去除污染物

4.1 磁鐵礦加速微生物種間電子傳遞強(qiáng)化污染物的去除

磁鐵礦的主要成分為Fe3O4,是一種混合價(jià)態(tài)的鐵氧化物,晶體呈八面體、十二面體。1995年，Kostka等[70]就發(fā)現(xiàn)Shewanellaputrefaciens可以利用甲酸或乳酸作為電子供體還原磁鐵礦。隨后Byrne等[71]發(fā)現(xiàn)了光營(yíng)養(yǎng)Fe(Ⅱ)氧化細(xì)菌RhodopseudomonaspalustrisTIE-1能利用光能氧化磁鐵礦納米顆粒。目前,很多學(xué)者研究利用磁鐵礦加速微生物種間的直接電子傳遞(DIET),實(shí)現(xiàn)有機(jī)污染物的去除。微生物種間直接電子傳遞是一種不需要借助擴(kuò)散性能量載體的微生物間的電子傳遞方式,這種電子傳遞方式分為3類:① 直接接觸;② 電子穿梭體介導(dǎo);③ 導(dǎo)電性物質(zhì)介導(dǎo)。這種直接電子傳遞區(qū)別于傳統(tǒng)的種間H2/甲酸轉(zhuǎn)移,且比種間H2/甲酸轉(zhuǎn)移更高效,具體見表1和2[72-75]。

表1 微生物種間電子傳遞機(jī)制分類[72-75]

表2 微生物種間直接電子傳遞作用方式[72-75]

Zhuang等[76]以苯甲酸為模型污染物,研究了在硫酸鹽還原條件下,磁鐵礦在海洋沉積物中促進(jìn)芳香族化合物降解的能力，通過(guò)對(duì)珠江口沉積物進(jìn)行厭氧培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)：磁鐵礦(20 mmol/L Fe原子)的加入使得苯甲酸鹽去除率提高了81.8%;隨著磁鐵礦濃度(5、10和20 mmol/L)的增加,苯甲酸鹽降解速率逐步加快,其原因可能是磁鐵礦加速了微生物種間的DIET過(guò)程；Bacteroidetes和Desulfobulbaceae是起主要作用的微生物。此外,磁鐵礦介導(dǎo)的微生物種間直接電子傳遞是微生物甲烷代謝的一種重要機(jī)制。Ye等[77]研究了微米磁鐵礦(<5 μm)和納米磁鐵礦(50～100 nm)對(duì)石油污染土壤中菲(一種含三個(gè)苯環(huán)的稠環(huán)芳烴,分子式C14H10)降解的影響，結(jié)果表明：在富集的培養(yǎng)物中,菲的完全降解需要菲降解菌與產(chǎn)甲烷菌的協(xié)同作用；微米磁鐵礦和納米磁鐵礦的加入使菲的去除率分別提高約25.9%和26.0%,甲烷的產(chǎn)率分別提高了21.5%和20.1%；添加微米磁鐵礦和納米磁鐵礦可能提高了富集培養(yǎng)物中的DIET速率。

在實(shí)際工程應(yīng)用中,厭氧條件下磁鐵礦可能會(huì)被鐵還原菌還原產(chǎn)生溶解態(tài)的Fe(Ⅱ),使得利用磁鐵礦的污染物生物降解受到限制(溶解后的磁鐵礦會(huì)發(fā)生流失和產(chǎn)生二次污染)。為解決這一問(wèn)題,Yang等[78]分別在厭氧活性污泥(AS)系統(tǒng)和上流式微好氧活性污泥反應(yīng)器中添加磁鐵礦,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在微好氧條件下富集的Geobacter混合菌對(duì)COD、三溴酚(TBP)和甲烷的去除率分別比AS系統(tǒng)高14.3%、16.7%和27.2%,微好氧條件減少了磁鐵礦中Fe(Ⅱ)的溶出,維持了系統(tǒng)中的磁鐵礦濃度。另外,Ma等[79]將亞微米磁鐵礦顆粒添加到序批間歇式活性污泥系統(tǒng)(SBR)中,構(gòu)建Fe3O4/SBR系統(tǒng),該系統(tǒng)在減輕磁鐵礦溶解的同時(shí),也能有效去除TBP。Ma等[79]分析表明：Fe3O4/SBR系統(tǒng)中溶解的Fe(Ⅱ)會(huì)被Magnetospirillum氧化和積累,從而解決了溶解后鐵礦流失和二次污染問(wèn)題;此外Geobacter在Fe3O4/SBR系統(tǒng)中富集,使得系統(tǒng)內(nèi)細(xì)胞色素c的含量增加,加速了電子傳遞。

4.2 零價(jià)鐵作為電子供體強(qiáng)化微生物呼吸去除污染物

零價(jià)鐵又叫單質(zhì)鐵(ZVI),是一種化學(xué)性質(zhì)活潑的金屬,具有較強(qiáng)的還原能力。零價(jià)鐵可以參與微生物反應(yīng),作為直接或間接的電子供體(Fe(Ⅱ)/H2)強(qiáng)化微生物去除重金屬、硝酸鹽等。Ayala-Parra等[80]通過(guò)柱實(shí)驗(yàn)利用市售ZVI作為唯一電子供體，驅(qū)動(dòng)厭氧顆粒污泥對(duì)硫酸鹽的還原,還原后的產(chǎn)物能夠固定酸礦廢水中的重金屬,ZVI的腐蝕還提供了堿度從而中和廢水的pH。Son等[81]在間歇式反應(yīng)器和柱反應(yīng)器中考察了ZVI(鑄鐵屑)存在下高氯酸鹽微生物的還原作用,研究發(fā)現(xiàn)：在間歇式反應(yīng)器中添加ZVI,使得微生物在無(wú)其他外加電子供體的條件下去除65.0 mg/L的高氯酸鹽，在20 d內(nèi)實(shí)現(xiàn)超過(guò)90.0%的高氯酸鹽的去除。Lu等[82]在模擬地下水中，研究鐵還原單菌Enterobactersp.CC76與ZVI在厭氧條件下生物反硝化去除硝酸鹽的效果,發(fā)現(xiàn)Enterobactersp.CC76可以利用ZVI氧化形成的Fe(Ⅱ)作為電子供體去除硝酸鹽。之后,Zhang等[83]研究了添加市售ZVI對(duì)混合菌厭氧脫氮的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在有ZVI添加的情況下,硝酸鹽的去除僅用了3 d,同時(shí)還原中間產(chǎn)物(亞硝酸鹽)的積累量也低于只有微生物的條件,微生物可能直接利用ZVI或者ZVI腐蝕產(chǎn)生的Fe(Ⅱ)/H2作為電子供體,Methyloteneraspp.、Alcaligeneseutrophus、Pseudomonasspp.可能是起主要作用的脫氮功能微生物。Dykstra和Pavlostathis[84]將市售ZVI應(yīng)用于生物電化學(xué)陰極強(qiáng)化廢氣中CO2向甲烷的高值化轉(zhuǎn)化,加入1和2 g/L ZVI使得甲烷的產(chǎn)量分別增加了2.8和2.9倍;除了ZVI腐蝕產(chǎn)氫促進(jìn)了耗氫產(chǎn)甲烷菌的活性之外,ZVI腐蝕形成的產(chǎn)物還可以作為電子媒介體促進(jìn)陰極的電子傳遞,并且有更多的Proteobacteria在陰極富集。Dai等[85]通過(guò)加入廢鐵屑加速電子傳遞效率，提高了人工濕地微生物燃料電池對(duì)COD去除的能力,Proteobacteria被大量富集。

納米零價(jià)鐵(NZVI)相比于ZVI具有更大的比表面積和反應(yīng)活性,得到了廣泛的研究[86-87]。在促進(jìn)微生物去除污染物方面：一方面NZVI可以直接將難降解的有機(jī)污染物還原成可生物利用的小分子污染物,再由微生物進(jìn)一步降解；另一方面,與ZVI類似,NZVI腐蝕過(guò)程中產(chǎn)生的H2或Fe(Ⅱ)可以作為微生物的電子供體促進(jìn)微生物還原去除污染物[88]。但是，由于NZVI反應(yīng)活性太高且顆粒小,因此也容易快速失效和發(fā)生聚沉,影響其實(shí)際應(yīng)用效果。另外,納米顆粒的細(xì)胞毒性也一直受到廣泛關(guān)注。納米顆粒對(duì)微生物細(xì)胞的致毒機(jī)制主要有兩方面：一是直接的物理破壞,損傷細(xì)胞膜,從而影響膜的通透性;二是對(duì)微生物生化功能的破壞(分子水平),干擾能量傳導(dǎo)及交換功能,造成蛋白的破壞等[89]。但當(dāng)NZVI負(fù)載在其他物質(zhì)上,或者當(dāng)NZVI被應(yīng)用在自然環(huán)境中時(shí)，毒性效應(yīng)會(huì)大大降低,甚至消失。因此,目前關(guān)于NZVI負(fù)載材料的研究層出不窮,常見的負(fù)載材料如羧甲基纖維素鈉(CMC)、生物炭等。Kocur等[90]將NZVI(NaBH4還原制備)-CMC直接投入受氯代揮發(fā)性有機(jī)物(cVOC)污染的場(chǎng)地,21 d的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：大部分高氯代的cVOC逐步轉(zhuǎn)化為低氯代的cVOC,NZVI的直接還原與微生物的還原脫氯是cVOC去除的主要原因；在NZVI-CMC注入之后,Dehalococcoidesspp.的數(shù)量增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)。Qian等[91]將市售NZVI與生物炭注入受氯代烴污染的地下水中,研究發(fā)現(xiàn)：如果直接添加NZVI,三氯乙烯和三氯甲烷在1 d之后就基本被還原了,但2 d之后水中的濃度又會(huì)反彈；而NZVI-生物炭處理地下水的效果可持續(xù)42 d,生物炭對(duì)污染物的吸附及NZVI的還原是處理效果維持的主要原因。

5 結(jié)論和展望

除納米零價(jià)鐵外,腐殖質(zhì)、硫鐵礦、錳礦石和磁鐵礦等是自然界中大量存在的物質(zhì),成本低廉且環(huán)境友好。另外,腐殖質(zhì)呼吸及礦物呼吸微生物也廣泛分布于自然界中,因此，這些材料在環(huán)境微生物修復(fù)中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。但由于這些材料大多以固體形態(tài)存在,微生物利用能力有限,因此適用于污染物濃度不高的水體、土壤及廢氣的處理。目前,腐殖質(zhì)作為電子供體或電子受體實(shí)際應(yīng)用于強(qiáng)化微生物呼吸去除污染物方面還沒(méi)有文獻(xiàn)報(bào)道。對(duì)于礦石，目前已有一些針對(duì)氮磷污染水體的中試規(guī)模的應(yīng)用及示范,比如按一定比例與其他填料混合用作人工濕地、生物濾池和可滲透反應(yīng)墻的填充介質(zhì),但這些應(yīng)用中，礦石的作用不單是強(qiáng)化微生物呼吸作用,吸附、化學(xué)還原或氧化也會(huì)同時(shí)發(fā)生。關(guān)于人工合成的納米零價(jià)鐵,作為電子供體可以直接投加或作為可滲透反應(yīng)墻的填充介質(zhì)用于地下水鹵代烴的污染修復(fù),目前在歐美已有實(shí)際應(yīng)用的案例,而國(guó)內(nèi)大多為中試研究,實(shí)際應(yīng)用中需要重點(diǎn)關(guān)注的是如何強(qiáng)化納米零價(jià)鐵在污染介質(zhì)中的擴(kuò)散?？傊?盡管這些材料去除有機(jī)/無(wú)機(jī)污染物的潛力及機(jī)制已被大量的研究,但大多還停留在實(shí)驗(yàn)?zāi)M及中試階段,仍需要大量的實(shí)踐探索,從而真正為這些“綠色材料”的工程化應(yīng)用提供理論依據(jù)。

在今后的研究中,以下幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題亟待解決:① 腐殖質(zhì)和礦物可能在自然環(huán)境中吸附一些對(duì)微生物代謝有毒害作用的有機(jī)污染物或重金屬,在微生物氧化還原的過(guò)程中又會(huì)釋放出來(lái),這些物質(zhì)可能會(huì)對(duì)微生物的生理活動(dòng)造成抑制作用,因此了解典型有機(jī)污染物和重金屬(如As、Pb等)對(duì)微生物的毒性作用以及通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究腐殖質(zhì)和礦物強(qiáng)化微生物去除污染物的投加量或者研究這些材料使用前的預(yù)處理方法至關(guān)重要。② 錳礦石作為電子供體強(qiáng)化微生物代謝過(guò)程及機(jī)制尚不清楚,現(xiàn)有的研究證實(shí)了溶解態(tài)Mn(Ⅱ)的氧化能夠促進(jìn)微生物還原污染物,然而固體錳礦石是否具有相似的微生物作用機(jī)制有待進(jìn)一步研究。③ 當(dāng)前利用腐殖質(zhì)和礦物強(qiáng)化微生物呼吸去除污染物的研究大都針對(duì)單一污染物,然而污染環(huán)境中往往存在多種污染物,共存的其他污染物是否會(huì)影響腐殖質(zhì)和礦物的強(qiáng)化效率以及這種修復(fù)方式能否同時(shí)去除多種污染物需要更深入的研究。④ 目前對(duì)自然環(huán)境中能夠利用腐殖質(zhì)和天然礦物的微生物的生理生態(tài)功能及其與這些材料之間的電子傳遞機(jī)制的研究還有待進(jìn)一步加深,這不僅有助于更深入地了解自然界中污染物的生物轉(zhuǎn)化過(guò)程,同時(shí)也為基于這些材料進(jìn)行污染微生物修復(fù)提供理論基礎(chǔ)。⑤ 腐殖質(zhì)和礦物材料大多為固體,如何提高其生物利用性,如何將這些材料真正應(yīng)用于實(shí)際的微生物修復(fù)過(guò)程中需要多學(xué)科參與,也是今后的研究重點(diǎn)。